"Физика", Белага В.В., Ломаченков И.А., Панебратцев Ю.А.
Инфразвук и ультразвук — звуковые колебания, которые лежат за пределами обычного слуха человека: ниже примерно 20 Гц и выше примерно 20 кГц. Они распространяются в упругой среде, как и слышимый звук, но человек обычно их не воспринимает. В природе ультразвук помогает летучим мышам и дельфинам находить объекты, а в технике его используют для диагностики, обнаружения мелких предметов и обработки материалов.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Звуковая волна — распространяющиеся в упругой среде колебания, которые могут восприниматься слухом или обнаруживаться приборами. Упругая среда — вещество, способное передавать колебания, например воздух или вода. Это определение помогает понять, почему звук можно исследовать даже тогда, когда ухо его не слышит.
Инфразвук — звуковые колебания с частотой ниже нижней границы слышимого человеком диапазона, примерно 20 Гц. Частота показывает, сколько колебаний происходит за секунду, и измеряется в герцах. Понятие инфразвука нужно, чтобы отличать низкочастотные колебания от обычного слышимого звука.
Ультразвук — звуковые колебания с частотой выше верхней границы слышимого человеком диапазона, примерно 20 кГц. Один килогерц равен тысяче герц, поэтому 20 кГц — это 20 000 Гц. Это понятие объясняет, почему существуют звуковые сигналы, которые человек не слышит, но приборы и некоторые животные обнаруживают.
Эхолокация — определение положения объектов по отражённым от них звуковым волнам. Источник посылает сигнал, а затем принимает его отражение и оценивает, откуда оно вернулось. Понятие помогает описывать способ ориентации животных и принцип работы приборов обнаружения.
Частота колебаний определяет, в какой части звукового диапазона находится сигнал. Если она ниже примерно 20 Гц, человек обычно не слышит её как звук; если выше примерно 20 кГц — тоже. При этом отсутствие слухового ощущения не означает, что колебаний нет: их можно зарегистрировать подходящим прибором.
Инфразвук возникает, когда большие тела или природные системы колеблются медленно. Такие колебания повторяются редко, поэтому их частота оказывается низкой. Землетрясения, грозы и морские волны способны создавать инфразвуковые колебания, которые распространяются на значительные расстояния.
Ультразвук появляется, когда тело совершает очень частые колебания. В природе летучие мыши и дельфины посылают ультразвуковые сигналы и принимают их отражение от предметов. По задержке и особенностям вернувшегося сигнала животное может определить расположение объектов, даже если не видит их.
Звуковая волна передаётся от частицы к частице, поэтому ей необходима упругая среда; в вакууме звуку распространяться не в чем. Скорость волны зависит от свойств среды, например от того, насколько легко в ней передаются колебания. Когда волна встречает препятствие и отражается, вернувшийся звук может быть услышан как эхо.
Ультразвук удобно применять для обнаружения объектов, потому что при высокой частоте длина волны мала. Такая волна может дать сведения о сравнительно мелких деталях. Поэтому ультразвуковые сигналы используют в диагностике, для поиска объектов и при обработке материалов: в каждом случае прибор посылает волну и анализирует её взаимодействие с веществом.
| Характеристика | Инфразвук | Слышимый звук | Ультразвук |
|---|---|---|---|
| Диапазон частот | Ниже примерно 20 Гц | Примерно от 20 Гц до 20 кГц | Выше примерно 20 кГц |
| Восприятие человеком | Обычно не слышен | Воспринимается слухом в пределах его чувствительности | Обычно не слышен |
| Примеры природных источников или пользователей | Землетрясения, грозы, морские волны | Речь и многие окружающие звуки | Летучие мыши и дельфины используют для эхолокации |
| Применение в технике | Регистрация низкочастотных колебаний | Передача звуковых сигналов | Диагностика, обнаружение объектов, обработка материалов |
Сравнивайте сначала частоты: именно они задают границы трёх областей. Затем смотрите, может ли человек услышать сигнал и какие примеры показывают его роль в природе или технике. Границы диапазонов приблизительны, поэтому таблица описывает общее правило, а не одинаковые возможности слуха для всех людей.
Задача 1. Частота колебаний источника равна 12 Гц. Определите, относится ли звук к инфразвуку, слышимому звуку или ультразвуку. Чтобы выбрать категорию, достаточно сопоставить значение с границами слышимого диапазона. Отдельно вычислять скорость или длину волны не требуется.
Ответ: инфразвук.
Задача 2. Ультразвуковой сигнал частотой 40 кГц распространяется в воде со скоростью 1500 м/с. Найдите длину волны. Используем связь длины волны со скоростью и частотой: λ = v/f. Перед вычислением переводим частоту в герцы, чтобы единицы величин были согласованы.
Ответ: длина волны равна 0,0375 м, или 3,75 см.
Задача 3. При эхолокации сигнал вернулся через 0,08 с. Скорость звука в воде равна 1500 м/с. Найдите расстояние до отражающей поверхности. За данное время звук успел дойти до поверхности и вернуться, поэтому весь путь вдвое больше искомого расстояния. Сначала найдём полный путь сигнала, а затем разделим его пополам.
Ответ: отражающая поверхность находится на расстоянии 60 м.
Считать, что инфразвук и ультразвук не распространяются в среде. Их иногда путают с отсутствием звука, потому что человек обычно их не слышит. Но это колебания, которые могут распространяться в упругой среде и обнаруживаться приборами; проверяйте, идёт ли речь о слышимости или о самом распространении волны.
Считать границы слышимого диапазона абсолютно точными. Значения около 20 Гц и 20 кГц — ориентир, а не предел, одинаковый для каждого человека. На слух влияют индивидуальная чувствительность и условия; при решении школьных задач используйте заданные приблизительные границы.
Забывать переводить килогерцы в герцы. В формуле λ = v/f скорость обычно дана в метрах в секунду, а частоту нужно подставлять в герцах. Ошибка возникает, если подставить, например, 40 вместо 40 000; проверьте единицы и вспомните, что 1 кГц = 1000 Гц.
При расчёте эха принимать весь путь за расстояние до объекта. Сигнал проходит путь до препятствия и обратно, поэтому измеренное время относится к двойному расстоянию. Чтобы проверить себя, нарисуйте путь туда и назад или разделите произведение скорости на время пополам.
Для этой темы нужно знать, что звук — механическая волна, то есть колебания, передающиеся в среде, и понимать, что скорость зависит от среды. Также пригодится связь скорости, частоты и длины волны: λ = v/f. Она позволяет вычислять расстояние между соседними участками волны, если известны скорость звука и частота.
Знание об инфразвуке и ультразвуке помогает разбираться в волновых явлениях и акустике. Оно применяется при изучении медицинской диагностики и способов обнаружения объектов: в этих случаях важно понимать, как сигнал распространяется, отражается и возвращается к прибору.
Почему человек не слышит инфразвук и ультразвук?
Слух человека воспринимает колебания примерно от 20 Гц до 20 кГц. Частоты ниже или выше этого диапазона обычно не вызывают у нас ощущения звука, хотя сами колебания могут распространяться и обнаруживаться приборами.
Могут ли животные слышать ультразвук?
Да, некоторые животные слышат ультразвук, в частности летучие мыши и дельфины. Они используют его сигналы для эхолокации: излучают звук и анализируют отражение от окружающих предметов.
Как возникает инфразвук в природе?
Инфразвук возникает при медленных колебаниях крупных тел и во время мощных природных процессов. Его могут создавать землетрясения, грозы и морские волны.
Почему ультразвук используют для обнаружения объектов?
Ультразвук имеет высокую частоту и короткую длину волны, поэтому с его помощью можно обнаруживать небольшие объекты. Сигнал отражается от препятствия, а прибор принимает это отражение.
Как по времени возвращения эха определить расстояние до препятствия?
Нужно умножить скорость звука на время между отправкой сигнала и возвращением эха. Получится путь туда и обратно, поэтому расстояние до препятствия равно половине результата: s = vt/2.
21. Ультразвук и инфразвук в природе и технике
